Usměrňovače jsou zařízení, která slouží k přeměně střídavé elektrické energie na stejnosměrnou, přičemž základními stavebními  prvky,  které  se  při jejich stavbě používají jsou usměrňovaní diody (případně tyristory), přičemž je využita základní vlastnost přechodu P-N - usměrňovací jev.  Usměrňovače  můžeme rozdělit podle několika hledisek:

a) podle počtu: jednofázové — slouží především pro napájení menších elektronických zařízení; trojfázové - napájecí zdroje výkonových obvodů - měniče, ss motory apod.; m-fázové

b) podle způsobu řízení: neřízené — usměrňovače s diodami; polořízené — usměrňovače s diodami a tyristory; řízené — usměrňovače s tyristory

c) podle způsobu zapojení: uzlové; můstkové; jednocestné

d) podle tvaru usměrněného napětí: jednopulsní; dvojpulsní; trojpulsní; šestipulsní; n-pulsní

Při výpočtech usměrňovačích obvodů jsou provedena určitá zjednodušeni: zanedbání závěrného proudu diody, přechod ze závěrného do propustného směru je pokládán za ideální. Pro napájení usměrňovačů s malým výstupním napětím je nutná transformace síťového napětí 220 V, 30 Hz na požadovanou hodnotu napětí pomocí napájecího transformátoru, který zároveň může sloužit k izolačnímu odděleni elektronického zařízení od napájecí rozvodné sítě. Pro výrobu transformátoru se nejčastěji užívají jádra složená z plechu E, I, nebo novější typy s jádrem G vyrobeného z orientovaného plechu. Vinutí je provedeno z měděných vodičů se smaltovanou izolací kruhového nebo obdélníkového průřezu. Pro běžnou technickou praxi vyhovuje přibližný návrh napájecího transformátoru.

Přenášený výkon z primární na sekundární stranu je možno určit ze vztahu:

Průřez jádra transformátoru určíme ze vztahu:

Kde se hodnota magnetické indukce nejčastěji volí B = 1T.

Počet závitů na volt:

Počet závitů jednotlivých vinutí:

Průměry vodičů vinutí se určí ze znalosti proudu tekoucího vinutím:

4.1.1 Jednofázový jednocestný jednopulsní usměrňovač

Obrázek ukazuje základní zapojení jednocestného jednopulsního usměrňovače s odporovou zátěží:

Stáhnout simulaci:

Obr: 4.1. Časový průběh vstupního a výstupního napětí jednocestného usměrňovače s odporovou zátěží

Vnitřní odpor usměrňovače je tvořen diferenciálním odporem diody v propustném směru a vnitřním odporem zdroje napětí:

Pro amplitudu proudu pak platí:

Střední hodnota usměrněného proudu je dána vztahem:

Napětí na zátěži vytvořené proudem I_AV:

Při výstupu usměrňovače naprázdno je napětí:

Při chodu nakrátko je hodnota proudu usměrňovače:

Nevýhodou uvedeného zapojení je velké zvlnění usměrněného napětí, které se zmenšuje filtrací pomocí filtru, jenž propouští na zátěž jen stejnosměrnou složku a odstraní nežádoucí vyšší harmonické. Tento lze realizovat buď pomocí sběrného kondenzátoru, nebo v sérii se zátěží  zapojenou nárazovou tlumivkou.

Základní zapojení jednocestného usměrňovače se sběracím kondenzátorem ukazuje obr. 4.2.

Stáhnout simulaci:

                                                           a)                                                                                     b)

Obr: 4.2. Jednocestný usměrňovač s kapacitním filtrem: a) časový průběh proudu ze zdroje b) časový průběh vstupního a výstupního napětí

Činitel zvlnění, který je určen poměrem střídavé a stejnosměrné složky výstupního napětí usměrňovače je možno pro toto zapojení vyjádřit vztahem:

Platí pro síťový kmitočet f = 50 Hz.

Napěťové namáhání diody:

[1]

4.1.2 Jednofázový dvoucestný dvoupulsní usměrňovač

Menšího zvlnění výstupního usměrněného napětí na výstupu usměrňovače lze dosáhnout tzv. uzlovým nebo můstkovým zapojením. Obr. 4.3. ukazuje uzlové zapojení jednofázového usměrňovače s kapacitním filtrem.

Stáhnout simulaci:

                                                            a)                                                                                   b)

Obr: 4.3 Jednofázový dvoucestný dovoupulsní usměrňovač v uzlovém zapojení a) časový průběh proudu z první větve zdroje b) časový průběh vstupního a výstupního napětí

Napětí při chodu naprázdno:

Proud při chodu nakrátko

Namáhání diod v závěrném směru

U dvoucestného uzlového zapojení s kapacitním filtrem je během každé periody dobíjen kondenzátor dvakrát. Činitel zvlnění usměrňovače je možno určit ze vztahu:

Obr. 4.4 ukazuje můstkové zapojení dvoupulsního usměrňovače, jehož výhodou je, že napájecí transformátor je jednodušší, i když je zapotřebí dvojnásobného počtu usměrňovačích diod.

Pro hodnoty napětí, proudu a činitele zvlnění platí stejné vztahy 4.15, 4.16, 4.17, 4.18. Napěťové namáhání diod je poloviční:

Vnitřní odpor usměrňovače je větší, poněvadž jsou v usměrňovací cestě zapojeny dvě diody v sérii:

                                                             a)                                                                                   b)

Obr: 4.4. Jednofázový dvoucestný dvoupulsní usměrňovač v můstkovém zapojení a) časový průběh proudu ze zdroje b) časový průběh výstupního napětí

Při prvním připojení usměrňovače k napájecí síti může dojít ke zničení usměrňovačích diod nadměrným nabíjecím proudem vyhlazovacího kondenzátoru. Může-li k tomuto jevu dojít, předřazuje se ochranný odpor, který omezí nabíjecí proud.

Obr: 4.5. Zatěžovací charakteristiky usměrňovačů [1]